Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-21T09:47:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Salazar_MarcelaMendes_D.pdf: 4370521 bytes, checksum: 99869d0c9655d47c4e3b2c29de58a274 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A celulose é o polímero mais abundante do planeta e está presente principalmente na parede secundária de células vegetais maduras. O conhecimento dos mecanismos moleculares envolvidos na sua biossíntese, bem como a regulação deste processo é recente e ainda elementar, apesar da sua grande importância. O Eucalyptus é o gênero florestal mais plantado no mundo, especialmente por ser matéria-prima para fabricação de celulose. Investimentos em pesquisas e desenvolvimento estão sendo realizados pelo setor florestal, no intuito de aumentar os ganhos de produtividade de celulose através da pesquisa na área da biologia molecular. Os dados analisados desmostram que a expressão gênica das espécies estudadas (E. globulus, E. grandis e E. urophylla) difere em genes essenciais para a formação dos compostos da parede celular e por fim da madeira. Os dados moleculares são condizentes com dados diferenciais aqui encontrados em relação à composição dos açúcares da parede. Os resultados gerados pela análise de composição da parede por diferentes técnicas, incluindo a recentemente desenvolvida "Perfil Glicômico" mostram uma grande diversidade e quantidade dos carboidratos da parede celular diferentemente distribuídos no xilema das espécies Eucalyptus globulus, grandis e urophylla, bem como em folha. Tais resultados apresentam um grande avanço para o entendimento da composição das paredes celulares de tais espécies. Assim, o objetivo do presente trabalho foi correlacionar os dados moleculares, com dados highthroughput do Perfil Glicômico para entender a composição e arquitetura da parece celular. Espera-se que esses dados possam contribuir para o entendimento da xilogênese e de como os genes trabalham para gerar árvores com características tão distintas, podendo direcionar o melhoramento das mesmas / Abstract: Cellulose is the most abundant polymer in the world and it is present mainly in secondary cell walls of plant mature cells. The knowledge of molecular mechanisms involved in biosynthesis and regulation of this process is recent despite its great importance. The Eucalyptus is the most planted forest genus in the world, especially for being raw material for pulp production. Investments in research and development, especially in the molecular biology field, are being carried out by the forestry sector in order to increase pulp productivity. The data analyzed showed that gene expression of the species the tree species studied here (E. globulus, E. grandis e E. urophylla) differs in essential genes of cell wall compounds formation. Molecular data are consistent with differential data found here in relation to the composition of cell wall sugars. The results generated by the wall composition analysis by various techniques, including the recently developed "Glycome Profiling", showed a wide diversity of carbohydrate of cell wall differently distributed in the xylem of the the Eucalyptus species. These results are a breakthrough in understanding the cell wall composition of these species. The objective of this study was to correlate molecular data with data highthroughput Glycome Profiling to understand the composition and architecture of the cell walls. It is hoped that these data will contribute to the understanding of wood formation and how genes work to generate trees with such different characteristics / Doutorado / Genetica Vegetal e Melhoramento / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Orientadores: Mary Anne Heide Dolder, Phillippe Matile / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-31T09:44:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rossetto_EsteladeSousa_D.pdf: 10579170 bytes, checksum: 599f6dea90da54726ade3bc1b4ec56e3 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Xerophyta plicata Spreng. (Velloziaceae) é uma Angiosperma brasileira tolerante à dessecação, que ocorre em afloramentos graníticos do RJ ao RN. Embora não perca as folhas nos períodos secos, elas ficam amarelas, encolhidas, dobradas e torcidas. Quando a água volta, as folhas se distendem e voltam a ficar verdes. As células do mesófilo sobrevivem aos ciclos de saída e entrada de água por meio de alterações ultra-estruturais responsáveis pela manutenção da viabilidade celular. Essas alterações parecem processos degradativos limitados, que mantém remanescentes das estruturas vitais. A utilização de solução fixadora não aquosa previne a ocorrência de artefatos de técnica nas folhas secas, que são muito reativas a água. O acompanhamento passo a passo dos nove dias de dessecação, por meio de Microscopia Eletrônica de Transmissão, revelou a permanência do núcleo de maneira intacta e de remanescentes identificáveis de cloroplastos, mesmo em folhas com conteúdo relativo de água (CRA) igual a 0%. As demais organelas desaparecem ou deixam de ser identificáveis nas células secas. Células dessecadas apresentam uma massa citoplasmática central e compacta, quase sem ligação com as paredes celulares, muito dobradas. Durante a re-hidratação alterações físicas de volume e forma (estudadas por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura ¿ SEM) ocorrem paralelamente a alterações morfo-metabólicas de reorganização ultra-estrutural. O acompanhamento detalhado dos dois primeiros dias de re-hidratação por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), com o uso de fixadores aquosos e não aquosos, revelaram uma seqüência de eventos celulares: dilatação das organelas, formação de vesículas que resultam na ocupação homogênea de todo o espaço interno da célula, deslocamento do citoplasma para a porção parietal da célula e reorganização da estrutura interna das células. ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: Xerophyta plicata Spreng. (Velloziaceae) is a Brazilian desiccation tolerant Angiosperm that occurs in granitic rock outcrops from Rio de Jane1ro State to Rio Grande do Norte State. Although leaves do not fall during the drought periods, they become yellow, shrinked, folded and twisted. When water is available again, leaves distend and retake the green colour. Mesophyll cells survive the water inlet and outlet cycles by means of ultrastructural changes that are responsable for maintaining their viability. These changes are similar to limited degradative processes in which remnants of the vital structures are preserved. The use of a non-aqueous fixative solution for dry tissues prevent the occurrency of fixation artefacts in these that are very reactive to water. A step by step 9-day study of the desiccation process by Transmission Electron Microscopy recognizable (TEM) showed few changes in the nucleus and modified-chloroplasts even in totally dry leaves (relative water content (RWC) of 0%). Other organelles disappear or are not recognizable. Desiccated cells show a compact and central cytoplasm that maintains contact with the cell walls by a few thread-like projections. Cell walls are very folded. During rehydration, changes in shape and volume (studied by Scanning Electron Microscopy, SEM) occur along with morphological metabolical changes, in order to reorganize the cell ultrastructure. A step by step study on the first 2 days of rehydration fixatives was carried out by TEM with aqueous and non-aqueous fixatives. Resurrection occurs through a sequence of cellular events: swelling of the organelles, vacuolation of the cytoplasm, motion of the cytoplasm to the peripheral portion of the cell and reorganization of the internal structure of the cells¿Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Doutorado / Doutor em Ciências Biológicas

O presente trabalho visa compreender o processo de degradação da parede celular vegetal de hospedeiros de fitopatógenos da família Xanthomonadaceae. Criamos e aperfeiçoamos uma técnica de enumeração dos genes relacionados ao metabolismo de polissacarídeos, com enfoque na distinção entre aqueles que agem sobre os componentes da parede celular vegetal e sobre outros polissacarídeos. A história evolutiva desse conjunto de enzimas foi delineada através de inferências sobre as relações de homologia entre os genes enumerados, sua presença ou ausência nos diversos genomas abordados e comparação das taxas de mutação entre grupos de homólogos. Além disso, procuramos também, com essa etapa de bioinformática e a etapa seguinte, incrementar a anotação desses genes, muitos descritos como hipotéticos ou com vaga definição de sua função. Na segunda parte do desenvolvimento do projeto foram feitos experimentos de expressão heteróloga e verificação da atividade enzimática para validação da anotação de alguns dos genes identificados. / This study aims to understand the process of degradation of host plant cell walls by plant pathogens of the Xanthomonadaceae family. We created and perfected a technique for enumeration of genes related to the metabolism of polysaccharides, focusing on the distinction between those who act on components of plant cell wall and on other polysaccharides. The evolutionary history of this group of enzymes has been outlined through inferences about the relations of homology between the genes listed, their presence or absence in different genomes and comparison of mutation rates between groups of homologues. Moreover, we also attempted with this bioinformatics step and the next step, to enhance the annotation of these genes, many described as hypothetical or vague in the determination of its function. In the second part of the project development heterologous expression and enzymatic activity assays were made to validate the annotation of some of the genes identified.

Os estudos com traqueídes vasculares em Caryophyllales têm focalizado questões filogenéticas e funcionais. Embora sejam descritas como traqueídes, com espessamento da parede secundária superior a 2µm, o relato de WBTs em diferentes tecidos em outras famílias evidencia que a definição dessas células não está bem estabelecida. O objetivo deste trabalho é compreender a ontogenia das traqueídes vasculares de Pilosocereus aurisetus (cacto colunar), descrevendo a sua estrutura em nível celular e bioquímico, bem como suas implicações funcionais e evolutivas. Para isso foi descrita a ontogênese, como base para o estudo de composição de parede, e anticorpos foram utilizados para melhor entendimento das moléculas de relevância funcional. Além disso, uma revisão anatômica que sintetiza o conhecimento atual sobre ocorrência das WBT, polimorfismo do lenho e diversidade de hábitos foi inserida em um contexto filogenético, a fim de esclarecer o papel do polimorfismo do lenho na evolução de Cactoideae. Plântulas foram incluídas em parafina para obtenção de cortes seriados, analisados em microscopia óptica e confocal. A análise de composição de parede celular foi feita com tecido xilemático de plântulas, cujos polissacarídeos foram sujeitos a hidrólise ácida, seguida de análise em cromatografia. Na imunolocalização foram utilizados os anticorpos anti-galactano LM5 e anti-arabinano LM6, para pectinas, e anti-manano, para hemiceluloses. Dados sobre a presença de traqueídes vasculares e do tipo de lenho em Cactaceae foram coletados da literatura e mapeados em uma filogenia robusta. A grande proporção de parede primária, associada à deposição de galactano, permite a função de armazenamento de água. Além disso, o aumento de parede secundária associada à deposição de manano na base, sugere função de sustentação nesta região, ainda que, somente a formação do lenho fibroso pareça fornecer o suporte necessário para que um cacto colunar atinja a altura de um adulto. Tal processo parece ter sido a predisposição anatômica crucial para a evolução dos cactos colunares. O presente estudo fornece um panorama amplo e novas evidências sobre a origem e função das traqueídes vasculares de Cactaceae. / Studies with wide-band tracheids have adressed phylogenetic and functional questions. Although these cells have been described as tracheids, with secondary cell walls thicker than 2µm, their recent register in different tissues of other families has pointed out that this definition may not be well established. The aim of the present study is to understand the ontogeny of the wide-band tracheids in Pilosocereus aurisetus (a columnar cactus), describing their structure at both celular and biochemical levels, and to investigate their possible functional and evolutionary implications for the Cactoideae as a whole. Therefore, Pilosocereus aurisetus ontogeny was studied as basis to cell wall composition analyses. Such analyses involved the use of antibodies and the identification of molecules of functional relevance. Furthermore, an anatomical review that summarizes the current knowledge about wide-band tracheid occurrence, wood polymorphism, and habit diversity was analyzed within a phylogenetic framework to investigate the role of polymorphic wood in Cactoideae evolution. Seedlings were embedded in paraffin, and the resulting sections were analyzed in optical and confocal microscopy. Studying the cell wall composition in seedling xylem involved the use of acid hydrolization of polysaccharides followed by chromatography analysis. The antibodies used for imunocitolocalization were anti-galactan LM5 and anti-arabinan LM6, for pectins, and anti-mannan, for hemicelluloses. Data about wide-band tracheids occurrence and wood polymorphism in Cactaceae were collected from the literature and mapped in a robust phylogeny for the subfamily. The prevalent proportion of primary cell wall with galactan suggests a water storage function for the wide-band tracheids. Furthermore, the rise of secondary cell wall deposition, and the high concentration of mannan in the cactus base suggest a sustaining function for this region. However, the fibrous wood development alone seems to provide enough support to sustain a mature columnar cactus. Such process may have been the most important anatomical prerequisite in the evolution of columnar cacti. The present study offers an overview and new evidences for the origin and function of wide-band tracheids.

Para quantificar o teor de lignina em alguns cultivares de aveia, foi utilizado o método espectrofotométrico "lignina solúvel em brometo de acetila – LSBA", onde a lignina é solubilizada em uma solução a 25% de brometo de acetila em ácido acético glacial e em seguida sua absorbância lida a 280 nm; como padrão de referência foi utilizada a lignina extraída da aveia através de uma solução ácida de dioxana. A quantificação da lignina foi realizada em oito cultivares de aveia, nas frações planta inteira, caule e folha, em três estádios de maturidade (45, 55 e 65 dias de idade). Os resultados obtidos foram comparados com três métodos gravimétricos: lignina detergente ácido (LDA), lignina permanganato de potássio (LPer) e lignina Klason (LK). Os quatro métodos estudados mostraram teores de lignina diferentes entre si. Os resultados de LSBA foram superiores para quase todos os cultivares, ocorrendo o inverso para a LDA. Houve uma pequena diferença em relação aos dias de corte, com dados superiores para LSBA, onde o caule apresentou maior variação em relação às demais frações. As curvas de regressão e os espectrogramas indicaram presença de diferenças qualitativas entre as ligninas provenientes da aveia forrageira nos diferentes estádios de maturidade. / To quantify lignin content in some varieties of oat, it was employed the spectrophotometric method acetyl bromide soluble lignin – ABSL where lignin is dissolved into a 25% acetyl bromide solution in glacial acetic acid and its absorbance read at 280 nm; as a standard it was employed a, lignin extracted by mild acidic dioxane solution from the same sample. Lignin quantification was evaluated in eight oat cultivars, divided in three vegetable parts (whole plant, stem and leaf), and three different maturity stages (cuts at 45, 55 and 65 days). Obtained results were compared with three gravimetric methods: acid detergent lignin (ADL), potassium permanganate lignin (PerL) and Klason lignin (KL). All four methodologies yielded different results. Overall, ABSL yielded highest values whereas ADL yielded the lowest ones. There was a slight difference related to maturity, with higher values for ABSL, where stem fraction showed higher variation when comparing to the two other vegetable parts. Regression equations and espectrograms indicated the presence of qualitative differences between lignins from at distinct maturity stages.

O eucalipto (Eucalyptus spp.) é a arbórea comercial mais importante do Brasil, tendo um papel marcante na indústria de papel e celulose. O aumento no rendimento da extração da polpa celulósica e a redução nos custos de produção são os principais objetivos dos programas de melhoramento genético de eucalipto. Como o processo de deslignificação é fundamental para a extração da celulose, é suma importante compreender a biossíntese e deposição da parede celular secundária durante a xilogênese. A diferenciação dos elementos traqueais é caracterizada pela deposição da parede celular secundária, logo estudos de expressão gênica envolvendo essas células xilemáticas é uma estratégia interessante. Foi realizado o sequenciamento do transcriptoma de células em suspensão em diferentes fases de desenvolvimento (células meristemáticas, células alongadas e elementos traqueais) gerando 348 milhões de leituras paired-end com 100 pb cada uma, com a maioria das leituras (80 %) alinhada e mapeada contra genoma de referência. A análise dos genes diferencialmente expressos (GDEs) identificou um total de 3426, 1044 e 4665 GDEs nas comparações M vs. A, A vs. T e M vs. T, respectivamente. Sendo 1316, 567, 2637 genes up-regulated e 2110, 476, 2028 genes down-regulated nas comparações M/A, T/A, T/M, respectivamente. Um total de 4229 genes foram anotados funcionalmente e mapeados em 310 rotas identificadas pelo KEGG, obtendo-se 40 sequências relacionadas à rota dos fenilpropanoides, a quinta rota mais representativa. Quando foram considerados os GDEs com log2 fold change ≤ -1,5 e log2 fold change ≥ 1,5, 34 rotas metabólicas foram identificadas, destas, a principal foi a rota dos fenilpropanoides, com 14 sequências relacionadas a enzima lactoperoxidase. Foi realizado o enriquecimento dos termos GO e nas redes a biossíntese de celulose e xiloglucanos, rotas de sinalização de etileno, rotas de biogênese e organização da parede celular vegetal e de morte celular, entre outras, foram destaque. Identificaram-se 31 fatores de transcrição, sendo 3 fatores de transcrição MYB, 2 fatores de transcrição NAC e 10 fatores de transcrição WRKY. Além disso, 21, 7 e 23 genes da rota da celulose e hemiceluloses e 24, 8 e 21 genes da rota de síntese dos monômeros da lignina foram constatados nas comparações M vs. A, A vs. T e M vs. T, respectivamente. Assim como, foram encontrados genes codificadores de lacases e peroxidases, participantes da polimerização dos monômeros da lignina. Os resultados possibilitaram uma compreensão mais ampla da regulação transcricional da biossíntese da parede celular secundária nas células xilemáticas de eucalipto e revelou novos genes participantes da xilogênese. Este conjunto de dados transcricionais ajudará na realização de manipulações genéticas visando à obtenção de plantas de eucalipto com características de extratibilidade aspiradas pela indústria. / Eucalyptus (Eucalyptus spp.) is the most important commercial tree in Brazil, playing a significant role in the pulp and paper industry. An increase in the yield of cellulosic pulp extraction and a reduction of production cost are the main objectives of the eucalyptus breeding programs. As the delignification process is fundamental for the extraction of cellulose, it is highly important to understand the biosynthesis and deposition of the secondary cell wall during xylogenesis. The differentiation of the tracheary elements is characterized by the deposition of the secondary cell wall, so studies of gene expression involving these xylem cells is an interesting strategy. Sequencing of the transcriptome of cells in suspension at different stages of development (meristematic cells, elongated cells and tracheal elements) was performed generating 348 million paired-end reads with 100 bp each, with most readings (80%) aligned and mapped against reference genome. The analysis of differentially expressed genes (DEG) identified a total of 3426, 1044 and 4665 DEGs in the comparisons M vs. A, A vs. T and M vs. T, respectively. Being 1316, 567, 2637 up-regulated genes and 2110, 476, 2028 down-regulated genes in the M/A, T/A, T/M, respectively. A total of 4229 genes were functionally annotated and mapped in 310 routes identified by the KEGG, yielding 40 sequences related to the phenylpropanoid route, the fifth most representative route. When DEGs with log2 fold change ≤ - 1.5 e log2 fold change ≥ 1.5 were considered, 34 metabolic routes were identified. From these, the main route was the phenylpropanoids pathway, with 14 sequences correlated to the enzyme lactoperoxidase. The GO terms enrichment was carried out and the networks of cellulose and xyloglucans biosynthesis, ethylene signaling routes, biogenesis routes and the plant cell wall organization and cell death, among others, were highlighted. Thirty-one transcription factors were identified, being 3 MYB transcription factors, 2 NAC transcription factors and 10 WRKY transcription factors. In addition, 21, 7 and 23 genes of the cellulose and hemicelluloses pathway and 24, 8 and 21 genes of lignin monomer synthesis route were found in the M vs. A, A vs. T and M vs. T comparisons, respectively. Besides this, encoding genes laccases and peroxidases were found, participating in the polymerization of lignin monomers. The results allowed a broader understanding of the transcriptional regulation of secondary cell wall biosynthesis in eucalyptus xylem cells and revealed new genes participating in xylogenesis. This set of transcriptional data will help in the accomplishment of genetic manipulations in order to obtain eucalyptus plants with extractability characteristics aspired by the industry.

A fim de contornar a problemática imposta pela recalcitrância da parede celular à hidrólise, o processo de produção de etanol a partir de biomassa vegetal requer um passo denominado de pré-tratamento, que consiste em tornar a biomassa mais acessível à ação de glicosil hidrolases que atacam a parede celular. O melhor conhecimento de processos de degradação de parede operados pela própria planta tem o potencial de direcionar as pesquisas em bioernegia, indicando quais os mecanismos mais eficientes para desmontar o complexo de polímeros da parede celular. Cunhado pré-tratamento biológico, este consiste na hidrólise de polissacarídeos estruturais empregando mecanismos e elementos chave de processos de degradação de parede celular que ocorrem na própria planta. Um exemplo de evento com esta característica é a formação de aerênquima lisígeno, que consiste na abertura de espaços de gás em tecidos parenquimáticos. A formação do aerênquima em cana-de-açúcar se dá de forma modular, sendo o processo constituído por seis etapas: 1) percepção do sinal inicial; 2) separação celular: 3) expansão celular; 4) morte celular programada; 5) hidrólise de hemiceluloses e 6) hidrólise de celulose. O presente trabalho teve como principal foco estudar a regulação das duas etapas iniciais, visando obter conhecimentos que possibilitem para tornar a biomassa de cana de açúcar menos resistente à penetração de enzimas. O aerênquima ocorre na raiz de cana-de-açúcar por um processo constitutivo. Sua independência de um indutor externo foi corroborada mediante tratamento com nutrientes e inibidor da percepção por etileno (1-MCP) pela análise dos cinco centímetros mais apicais da raiz. O atraso na formação do aerênquima após tratamento com nutrientes levou à expressão diferencial de genes relacionados à degradação de parede celular, morte celular programada e sinalização por etileno. Por outro lado, o 1-MCP não afetou visivelmente a formação do aerênquima, porém alterou o balanço hormonal na raiz. O padrão transcricional das raízes tratadas com 1-MCP revelou aumento da expressão de genes relacionados à expansão celular e estresse oxidativo. Tais padrões são discutidos à luz da regulação hormonal da formação do aerênquima através do estabelecimento de um balanço hormonal definido entre auxina e etileno. Ambos os experimentos levaram à seleção de quatro genes candidatos: dois fatores de transcrição (ScRAV1 e ScERF1) e duas glicosil hidrolases (ScEPG1 e ScARA1), sequenciados e analisados quanto à diversidade hom(e)óloga, sequências promotoras e estrutura gênica em comparação a S. bicolor. A topologia das reconstruções filogenéticas e a distribuição diferencial de sítios para RAV e ERF nos promotores de ScEPG1 e ScARA1 não parece refletir padrões de expressão distintos, visto que os diferentes hom(e)ólogos demonstraram ser igualmente expressos. Em sistema heterólogo, o fator de transcrição RAV apresentou atividade repressora sobre o promotor de ScEPG1. Tal papel de RAV sugere regulação negativa sobre a degradação da lamela média e sobre o processo de perda de adesão e separação celular. A identificação de reguladores-chave da formação do aerênquima consiste em importante elo entre a sinalização hormonal e a degradação de parede celular, possibilitando a melhor compreensão dos mecanismos de controle da degradação endógena de parede celular. Os dados produzidos possibilitam a aplicação biotecnológica dos genes sequenciados, além de consistirem em significativo avanço no conhecimento sobre a fisiologia do processo estudado e na dinâmica da regulação da expressão gênica acoplada a aspectos filogenéticos das sequências alvo. / In order to circumvent the problems imposed by the cell wall recalcitrance to hydrolysis, the process underlying biofuel production requires a step called pretreatment, aimed at making biomass more accessible to the action of glycosil hydrolases that attack the cell wall. The increased knowledge of wall degradation processes operated by the plant itself has the potential to influence research in the bioernergy field, pointing out the most efficient mechanisms to disassemble the cell wall complex polymeric structure. The term coined biological pretreatment means taking advantage of key elements and mechanisms of cell wall degradation processes occurring in the plant itself in order to disassemble the entangled polysaccharide structure. One example of endogenous cell wall degradation process is the lysigenous aerenchyma formation, which consists in the opening of gas spaces in parenchyma tissue. The aerenchyma formation in sugarcane is thought to be a modular process that occurs in six steps: 1) target cells perception; 2) cell separation; 3) cell expansion; 4) programmed cell death; 5) hemicellulose hydrolysis and 6) cellulose hydrolysis. This work has as the main objective to study the regulation of the two initial steps, aiming at acquiring knowledge that would afford to turn biomass less resistant to enzyme penetration. The aerenchyma develops within the roots of sugarcane as a constitutive process. Its independence from an external inducer was corroborated in this work by subjecting sugarcane plants to treatment with nutrients and one inhibitor of ethylene perception (1-MCP) when the five more apical centimeters of the root were analyzed. After treatment with nutrients, the delayed aerenchyma formation led to differential expression of cell wall degradation-, programmed cell death- and ethylene signalling-related genes. Under visual inspection, 1-MCP did not show effect on aerenchyma development. Instead, it changed the hormone balance mainly in the two most apical root segments. The transcriptional pattern of 1-MCP treated roots revealed increased expression of cell expansion- and oxidative stress-related genes. Such patterns are discussed in the light of the hormone regulation of the aerenchyma development through the establishment of a balance between auxin and ethylene within root segments. Both experiments led to the selection of four two candidate genes, two transcription factors (ScRAV1 and ScERF1) and two glycosil hydrolases (ScEPG1 and ScARA1), that were sequenced and analyzed regarding homEURologous diversity, promoter sequences and gene structure compared to S. bicolor. The topology of the phylogenetic reconstructions and the differential distribution of sites for RAV and ERF within ScEPG1 and ScARA1 promoters did not reflect distinct expression patterns. Different hom(e)ologous of each target gene were equally expressed. In an heterologous system, RAV transcription factor interacted with ScEPG1 promoter, reducing the activity encoded by the reporter gene. This suggests the repressive role of RAV on pectin degradation within the middle lamella, leading to reduced cell adhesion and cell separation, possibly regulated by this glycosyl hydrolase. The identification of key regulators of the aerenchyma formation is an important link between hormone signaling and the wall degradation within the sugarcane roots. It enables a better understanding of control mechanisms underlying wall modifications when performed by the plant itself. Altogether, the data produced in this work allows biotechnological application of sequenced genes. Moreover, the produced data unveil key aspects regarding physiologycal aspects of aerenchyma development and highlights features related to the dynamics of gene expression in sugarcane coupled to the phylogenetic aspects of the four target sequences.

A cana-de-açúcar é uma gramínea C4 cuja principal característica é o acúmulo de altas concentrações de sacarose no colmo. As variedades comerciais são derivadas de cruzamentos de S. officinarum, que possui colmos grossos com alto teor de açúcar, e S. spontaneum, que apresenta colmos finos, fibrosos, com baixo teor de açúcar, mas com maior perfilhamento e resistência a estresses. O desenvolvimento da tecnologia do bioetanol celulósico, no qual o bagaço é utilizado para produção de bioetanol, tem gerado o interesse no desenvolvimento da cana energia, que possui mais fibra e biomassa, porém menos sacarose. Para isso, é importante o entendimento das vias regulatórias de biossíntese de parede celular, principal constituinte da biomassa vegetal. Ainda, as variedades comerciais possuem uma base genética estreita, que pode ser um dos fatores responsáveis pela diminuição dos ganhos de produtividade que vem sendo observada a cada variedade lançada. Isso mostra a importância de se voltar aos genótipos ancestrais para identificar genes que possam ser importantes para o melhoramento da cana-de-açúcar, incluindo o desenvolvimento da cana energia. Assim, o presente trabalho analisou o transcriptoma de três genótipos ancestrais e dois híbridos comerciais, juntamente com a caracterização de dados morfo-fisiológicos. Essa abordagem permitiu ligar padrões de expressão gênica aos fenótipos e identificar genes e vias regulatórias que estão possivelmente relacionadas aos mecanismos que determinam características como produtividade, acúmulo de sacarose e lignina, principalmente genes de regulação da estrutura da cromatina, metabolismo de parede celular e algumas famílias de fatores de transcrição. A expressão desses genes apresentou maior correlação com acúmulo de sacarose do que a expressão dos próprios genes do metabolismo de sacarose. S. spontaneum foi o genótipo que apresentou perfil de expressão e fenótipos mais distintos, mostrando um potencial biotecnológico para produção de biomassa. A integração dos resultados sugere que o acúmulo de sacarose compete com o de lignina e que o controle do crescimento em entrenós mais jovens pode ser importante para a maior produtividade. Também foram construídas bibliotecas de cDNA full length e estas apresentaram 90% de insertos completos. O sequenciamento dessas bibliotecas revelou uma grande quantidade de transcritos novos e específicos do gênero Saccharum, juntamente com um número significativo de transcritos antissense e milhares de genes diferencialmente expressos que podem estar associados, principalmente, às diferenças de resistência a estresses de S. officinarum e S. spontaneum. Essas bibliotecas fornecem uma grande plataforma para estudos posteriores para descoberta de polimorfismos, splicing alternativo e alelos que possam ser importantes nas características dos genótipos. Ainda, foram identificadas sequências promotoras de genes do metabolismo de parede celular e de alguns candidatos a estarem envolvidos nesse processo; vários apresentaram sítios de ligação conservados responsivos a fatores de transcrição da biossíntese de parede celular, mas algumas diferenças importantes foram identificadas, evidenciando divergências evolutivas entre cana-de-açúcar e outras espécies. Nossos dados mostram-se importantes por avançar no entendimento das vias envolvidas no metabolismo de parede celular em cana-de-açúcar assim como por caracterizar parte da variabilidade dos genótipos ancestrais. / Sugarcane is C4 grass whose main characteristic is the accumulation of high concentrations of sucrose in its stem. Commercial varieties are derived from crosses between S. officinarum, which has thick culms with high sugar content, and S. spontaneum, which has thin fibrous culms, with low sugar content, but presents high tillering and stress tolerance. The development of cellulosic bioethanol technology, on which the bagasse is used to produce bioethanol, has raised the interest to produce the energy cane, which has high fiber content and biomass yield instead of sucrose. For this purpose, it is important to obtain knowledge on the regulatory pathways of the biosynthesis of the cell wall, the main component of plant biomass. Still, commercial varieties have a narrow genetic basis and this could be one of the reasons for the reduction on yield gains that has been noticed for new varieties released. This shows the importance to return to ancestor genotypes to identify genes that might be important for sugarcane improvement, as well as for energy cane development. The present work analyzed the transcriptome of three ancestor genotypes and two commercial hybrids, together with the characterization of morphophysiological traits. This approach allowed us to link gene expression pattern and phenotypes to identify genes and regulatory pathways that might be related to the mechanisms determining traits, such as yield, sugar and lignin content, especially genes related to chromatin structure regulation, cell wall metabolism and some transcription factors families. The expression of those genes showed a greater correlation to sucrose content than expression of sucrose metabolism genes itself. S. spontaneum is the genotype with the most distinct expression profile and phenotype, showing a biotechnological potential for biomass production. The integration of the results suggests that sucrose accumulation competes with lignin and the control of growth in younger internodes might be important in determining higher yield. In addition, full length cDNA library has been constructed and they showed 90% full length inserts confirmed. High-throughput sequencing revealed a large number of new and specific Saccharum transcripts, as well as a significant number of antisense transcripts and thousands of differentially expressed genes that might be related to, especially, the differences of stress tolerance of S. officinarum and S. spontaneum. These libraries provide a large platform for future studies to discover polymorphisms, splicing variants and alleles that might be important to genotype\'s traits. We also identify promoter sequences from cell wall-related genes and some candidates to be involved in this process; several of them showed conserved binding sites responsive to cell wall-related transcription factors, however, some differences were also identified, showing an evolutionary divergence among sugarcane and other species. Our data are important for advancing knowledge on cell wall-related pathways in sugarcane as well as for the characterization of genetic variability of ancestor genotypes.

A resistência das paredes celulares vegetais à hidrólise enzimática é um dos grandes gargalos tecnológicos para a obtenção do etanol celulósico. Acredita-se que as modificações nas paredes celulares em processos como a mobilização de reservas, formação de aerênquima, amadurecimento de frutos e senescência, por exemplo, envolvam a ativação de módulos funcionais que culminam em alterações nas paredes celulares. Estes módulos são: 1) recepção de um sinal para início do processo; 2) Morte Celular Programada (PCD); 3) separação celular; 4) expansão celular; 5) hidrólise de hemiceluloses e 6) hidrólise de celulose. No caso da formação de aerênquimas lisígenos o processo que se inicia com a PCD e é seguido pela liberação de glicosil hidrolases que atuam a na degradação e/ou modificação da parede celular, formando espaços de ar no córtex radicular. A formação de aerênquima nas raízes de cana de açúcar é constitutiva e pouco se sabe sobre os mecanismos de modificação que ocorrem na parede celular durante este processo. Este estudo buscou compreender os padrões de variação expressão gênica, proteínas e de atividades enzimáticas associados à formação do aerênquima em raízes de cana de açúcar, com ênfase no papel das hidrolases de parede celular e em algumas proteínas relacionadas à PCD. Foram utilizados 5 segmentos de raízes de 1 cm cada, a partir do ápice radicular. No material coletado observou-se a formação gradual de aerênquima. Foram realizadas análises transcricional, proteômica e atividade enzimática das glicosil hidrolases e outras proteínas que atuam na modificação da parede celular, os quais foram identificados e quantificados ao longo da formação do aerênquima. As glicosil hidrolases pertencentes às famílias Cazy GH1, GH3, GH17, GH18 bem como expansinas, celulose sintase, lacase, calreticulina, calmodulina e proteínas relacionadas a degradação de pectinas, foram encontradas ao longo dos segmentos, principalmente após o segmento 2. De acordo com a atividade transcricional e dados da proteômica, sugere-se que os polissacarídeos seriam atacados por enzimas nos estágios iniciais da formação do aerênquima (seg 2 e 3). O ataque ocorre principalmente sobre as pectinas e o β-glucano. Contudo, os dados apontam para a deposição de xiloglucano, xilanos e celulose (após seg 3), que formam um compósito ao redor dos espaços de ar. Isto sugere que parte dos polissacarídeos das paredes não sejam degradados ao longo do processo, embora enzimas específicas detectadas possam atuar na modificação dos mesmos, como verificado para algumas pectinases e membros de GH17. Além disso, nos pré-tratamentos com água foi possível observar que há maior sacarificação da parede nos seg. 1 e 2. Contudo quando retira-se a maior parte das pectinas e hemiceluloses após pré-tratamento com NaOH, a sacarificação é maior nos segmentos 2, 3 e 4, devido ao maior acesso e a maior quantidade de celulose. As glicosil hidrolases encontradas neste trabalho sugerem que estas atacam a parede de um específico conjunto de células do córtex que dá origem ao aerênquima. Já no fim do processo, quando há lise celular, algumas paredes de células remanescentes são recalcitrante à hidrólise, provavelmente devido a sua arquitetura e composição. Este trabalho traz informações para o desenvolvimento de futuras tecnologias para a produção do etanol do etanol celulósico de cana-de-açúcar / The resistance of plant cell walls to enzymatic hydrolysis is one of the main bottlenecks of the development of technology of production of cellulosic ethanol. It is believed that the modifications in cell walls related to processes of storage mobilization, aerenchyma formation, fruit ripening and senescence, for instance, involve the activation of functional moduli that culminate in alterations of cell walls. These moduli are: 1) signal perception to start the process; 2) Programmed Cell Death (PCD); 3) cell separation; 4) cell expansion; 5) hydrolysis of hemicelluloses and 6) hydrolysis of cellulose. In the case of the formation of lysigenous aerenchyma, the process starts with PCD and is followed by the release of glycosil hydrolases that act on the degradation and/or cell wall modifications, forming air spaces in the cortex of the root. The formation of aerenchyma in the roots of sugarcane is a constitutive phenomenon and little is known about the mechanisms of modification that occur in cell walls during its development. Thus, the present study focused on the visualization of the patterns of variation of gene expression, proteins and enzyme activities associated to the formation of aerenchyma in roots of sugarcane in order to understand the role of the cell wall hydrolases and some proteins related to PCD in cell wall modifications along the process. Five root segments of 1cm each, starting from root apex, were used. A gradual centripetal formation of aerenchyma was recorded in the cortex of developing roots. Analyses of the transcriptional, proteomic and enzyme activity profiles during the process revealed that several enzymes act on cell wall modifications. The glycosil hydrolases belonging to the Cazy families GH1. GH3, GH17, GH18, as well as expansins, cellulose synthase, laccase, calreticulin, calmodulin and other proteins related to pectin degradation have been found along the segments, mainly after segment 2. According to the data on transcriptomics and proteomics, it is suggested that enzymes attack polysaccharides during the initial stages of aerenchyma formation (seg. 2 and 3). The attack of the enzymes occurs mainly on pectins and β-glucan. Conversely, the data point out to the deposition (or maintenance) of xyloglucan, xylan and cellulose (after seg. 3), which form a composite that surrounds the air spaces. This suggests that part of the polysaccharides present in cell walls are not degraded during the process, although specific enzymes have been detected that could act on polysaccharide mobilization, such as the GH17 family. Further, under pretreatment with water, it has been observed that cell wall saccharification was higher at segments 1 and 2. On the other hand, when most of the pectins and hemicelluloses are retrieved by pretreatment with NaOH, saccharification is higher of segments 2, 3 and 4, probably due to the higher access to the wall and also to the higher proportion of cellulose. The profiles related to the glycosil hydrolases found in this work, suggest that these enzymes attack the cell wall. Initially, they are probably kept within a group of cells that will originate the aerenchyma. At the end of the process, when there is cell lysis, the remaining walls of some cells are recalcitrant to hydrolysis probably due to changes in their architecture and composition. Our findings bring promising information that could be used in the future to improve efficiency of hydrolysis for cellulosic ethanol production from sugarcane

A associação de tecnologias como transgenia, genômica e proteômica aos programas de melhoramento convencional de árvores, pode acelerar o processo de obtenção de exemplares com características específicas da madeira para a indústria de papel e celulose. A parede celular vegetal é extremamente importante para este setor industrial, pois fornece polissacarídeos como celulose e hemiceluloses. A UDP-glucose pirofosforilase (UGPase, EC 2.7.7.9) é uma enzima chave na produção de UDP-glucose, precursor relevante na interconversão de nucleotídeoaçúcares que constituem os monômeros desses polissacarídeos. O objetivo deste trabalho foi clonar os cDNAs que codificam a UGPase, extraídos do tubérculo de batata (Solanum tuberosum L.) e da raiz de eucalipto (Eucalyptus grandis), e inseri-los por meio de transformação genética via Agrobacterium tumefaciens, respectivamente, no genoma de plantas de fumo (Nicotiana tabacum) e de eucalipto, para alterar o fluxo de carbono de modo a aumentar o conteúdo de pentosanas (xilose e arabinose). O maior teor de pentosanas é benéfico economicamente para a indústria de papel e celulose, pois diminui a energia consumida no refino da polpa além de benificiar a qualidade do papel que se torna mais resitente ao rasgo. O impacto da superexpressão do gene ugp nas plantas de tabaco e de eucalipto obtidas da transformação genética, foi avaliado por meio de análises bioquímicas e morfológicas. A análise de Southern blot indicou uma a quatro cópias do transgene no DNA genômico de dez linhagens T2 de tabaco, e uma cópia em uma linhagem T0 de eucalipto. A análise de qPCR mostrou que todas as linhagens T2 de tabaco apresentaram expressão do gene ugp exógeno, sendo que em quatro o nível de expressão foi maior que nas demais. As linhagens com menor expressão do gene ugp exógeno, com exceção de uma delas, também expressaram menos o gene ugp endógeno, sugerindo que nessas linhagens algum mecanismo de regulação atuou alterando a expressão desse gene, tanto endógeno, quanto exógeno. As linhagens transgênicas de tabaco foram morfologicamente semelhantes às plantas controle quando comparadas quanto à altura da planta, comprimento de internós, área foliar total, diâmetro do caule e massa seca da raiz. As alterações nos tabacos transgênicos, em relação aos controles, verificadas através das análises químicas, foram estatisticamente mais significativas na medula caulinar, onde houve aumento no conteúdo dos monossacarídeos e dos ácidos urônicos. As poucas diferenças encontradas no tecido xilemático sugerem que a planta, de alguma forma, tende a alterar menos a composição da parede celular secundária, do que da parede primária. Também sugerem que o metabolismo dos carboidratos pode afetar o conteúdo de lignina, embora seja sintetizada por outra rota metabólica. A parede celular primária, analizada utilizando a medula das plantas de tabaco e folhas de eucalipto, mostrou um aumento no conteúdo de pentosanas, o que não foi observado na análise de plântulas de tabaco. / Assossiating technologies like transgenesis, genomics and proteomics with conventional forestry breeding can accelerate the process of obtaining new trees with specific wood properties for the paper and pulp industry. Plant cell wall is extremely important for this industry, providing polysaccharides like cellulose and hemicelluloses. UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase, EC 2.7.7.9) is a key enzyme producing UDP-glucose, an important forerunner for nucleotide sugars that constitute the monomers of these polysaccharides. The goal in this work was to clone the cDNAs that encode UGPase, extracted from potato (Solanum tuberosum L.) tuber, and eucalypt (Eucalyptus grandis) root, and transfer through genetic transformation via Agrobacterium tumefaciens, respectively, in tobacco (Nicotiana tabacum) plants and eucalypts, in order to change the carbon flux, increasing the pentosans (arabinose and xylose) content. Higher pentosans content is economicaly important for the paper and pulp industry, as decreases energy consumption at pulp refining and also can benefit paper quality that becomes more resistant to rip. The impact of the ugp gene overexpression over tobacco and eucalypt plants obtained through genetic transformation were morphological and biochemicaly evaluated. Southern blot analysis showed one to four copies of the transgene in the genomic DNA of ten tobacco T2 lines, and one copy in one eucalypt T0 line. The qPCR analysis showed that all tobacco T2 lines expressed exogenous ugp gene, being the expression level in four of them biger than the others. Lines that expressed less exogenous ugp gene, with exception of one of them, equally had less endogenous ugp gene expression level, suggesting that in these lines, some kind of regulation acted changing the gene expression. The transgenic tobacco lines were morphologicaly similar to the control plants when compared for total height, internode lenght, total leaf area, stem diameter and root dry mass. Alterations in transgenics tobacco plants, in relation to controls, checked by chemical analysis, were statisticaly more significants in the pith, where the monosaccharides and uronic acids contents increased. The few diferences founded in the xilematic tissue sugest that the plant, somehow, tends to change less the secondary cell wall composition than the primary wall. They also suggest that the carbohydrate metabolism can affect lignin content, thought it\'s sintetizaded in another metabolic pathway. The primary cell wall, evaluated using tobbaco plants pith and eucalypt leaves, showed an increase in pentosanas content, that wasn\'t observed analising tobacco seedlings.